CN109288192A - 一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置 - Google Patents

Abstract

一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，包括检测模块、通信模块、信号处理模块、微处理器和供电模块，检测模块包括压电薄膜传感器，压电薄膜传感器按照脚底前部、中前部、中后部和后部的四个区域内均呈左右并列设置；信号处理模块包括整流电路和双稳态触发器，压电陶瓷薄膜信号依次经整流电路和双稳态触发器后传输给微处理器，供电模块分别与微处理器及信号处理模块电连接。将压电薄膜传感器按照脚底前部、中前部、中后部和后部的四个区域内均呈左右并列设置，并通过信号处理模块和微处理器检测各个压电模块的时序差，从而给后续判断脚部着力点之间的先后顺序，从而判断走路姿势的正确性，采集过程简单。

Description

一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置

技术领域

本发明涉及智能运动穿戴领域，尤其涉及一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置。

背景技术

无论是爬山、散步、打球和溜冰等各种运动，均离不开作为人类日常生活必需品的鞋子，尤其是一双合脚的鞋子，而行走使得人们可以探索或征服各种环境。

具体的行走步骤如图1所示，

首先是图1中的A阶段，单腿站立引导肢向前阶段：此时，下腹部收紧保持躯干稳定，髂腰肌收缩屈髋，膕绳肌与小腿收缩屈膝，胫骨前肌和腓骨肌收缩出现踝屈（勾脚动作）。引导肢向前时，对侧肩关节向该侧髋关节靠拢，足趾的伸肌收缩出现勾脚尖动作（趾部伸展）。

其次是图1中的B阶段，足跟与地面接触阶段：此时，屈髋终止，股四头肌收缩伸膝，踝屈和趾伸动作终止。

接着是图1中的C阶段，重心前移，单腿支撑阶段：此时，股四头肌收紧，臀部肌肉开始收缩。

随后是图1中的D阶段，重心继续前移，向前跌倒倾向阶段：此时，臀部收缩伸髋，其余地方维持稳定，小腿及足部肌肉收缩明显（很多人是在这里控制不恰当，并且往往都是臀部力量缺乏与腿部前后侧力量不平衡引起，进而导致各种健康问题）。

再次是图1中的E阶段，推动阶段：此时，臀部继续收紧伸髋，股四头肌继续发力伸膝盖，该侧支撑肢会完全伸展到摆动肢即将着地。摆动过程中，对侧肩会向摆动肢髋关节靠拢，这个阶段的末段是趾长屈肌发力，也就是脚趾头发力。

最后是图1中的F阶段：当摆动肢接触地面时，新的周期开始。

但人们一旦学会行走，便很少有人关注行走的姿势问题。不正确的走路姿势，不仅会使得仪态气质变差，而且还会伤害身体健康，引起身体众多问题的产生或加重，比如：足底疼痛、腰痛、膝盖疼痛、骨盆侧移、椎间盘突出和腿部变形等问题。同时，随着生活水平的提高，人们的消费水平也在不断的提高，尤其对于爱美的女性会买一些价格比较昂贵的鞋，而错误的行走姿势还会造成鞋底磨损严重的不对称，增加生活成本，并且再次穿因磨损而不对称的鞋子会对身体造成的伤害更加严重。

中国发明专利CN201410008823.9提出一种智能鞋，包括鞋底和鞋面，所述的鞋底内部设有将压力转换为电信号输出的压力传感器和控制单元，所述的控制单元包括无线通信模块和控制模块，所述的无线通信模块与控制模块数据相连，控制模块与压力传感器相连。该发明虽然提高了计步、测重准确率和电能转化效率，但是该发明并不能分析出人们的走路姿势及习惯等，进而及时调整不正确的行走姿态，减小对身体造成的伤害。

为此，本领域技术人员致力于开发一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，以便能精确分析出行走时脚部的作用力，进而判断出行走姿势，并将其与已存的正确的着力及行走姿势作对比，及时分析出行走者存在的问题，并做出调整。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置。

一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，其特征在于，包括检测模块、通信模块、信号处理模块、微处理器和供电模块，所述检测模块包括压电薄膜传感器，所述压电薄膜传感器按照脚底前部、中前部、中后部和后部的四个区域内均呈左右并列设置，在所述压电薄膜传感器的表面涂有铜膜；所述压电陶瓷薄膜均沿其厚度方向极化，所述信号处理模块包括整流电路和双稳态触发器，所述压电陶瓷薄膜信号依次经整流电路和双稳态触发器后传输给所述微处理器，所述通信模块与所述微处理器的通讯端电连接，所述供电模块分别与所述微处理器及信号处理模块电连接。

进一步为：所述压电薄膜传感器覆在柔性电路板上，在所述柔性电路板上布置所述信号处理模块、微处理器和供电模块；所述信号处理模块、微处理器和供电模块均位于对应脚底中部内侧的位置。

进一步为：所述检测模块、柔性电路板、信号处理模块、微处理器和供电模块均固设在鞋垫设置的夹层中。

进一步为：所述信号处理模块、微处理器和供电模块集成在独立柔性电路板上，在所述柔性电路板上对应脚底中部内侧面的位置开设有独立柔性电路板插槽，在所述独立柔性电路板插槽槽底设有快插接头A端，在所述独立柔性电路板上设有快插接头B端，当所述独立柔性电路板安插在所述独立柔性电路板插槽内时，所述快插接头A端与快插接头B端相匹配用于传输所述压电薄膜传感器和信号处理模块的电信号。

进一步为：所述检测模块、柔性电路板、信号处理模块、微处理器和供电模块均固设在鞋底设置的夹层中。

进一步为：所述信号处理模块、微处理器和供电模块集成在独立柔性电路板上，在所述柔性电路板上对应脚底中部内侧面的位置开设有独立柔性电路板插槽，在所述独立柔性电路板插槽槽底设有快插接头A端，在所述独立柔性电路板上设有快插接头B端，当所述独立柔性电路板安插在所述独立柔性电路板插槽内时，所述快插接头A端与快插接头B端相匹配用于传输所述压电薄膜传感器和信号处理模块的电信号。

进一步为：在所述鞋底侧面对应所述独立柔性电路板插槽的位置开设有卡槽，在所述卡槽内塞有并粘接密封塞。

进一步为：所述整流电路包括放大电路和比较器，每个所述压电薄膜传感器产生的信号经所述放大电路放大再经比较器转换成数字信号，对应脚底前后相邻的两个所述压电薄膜传感器均通过一个所述双稳态触发器后与所述微处理器电连接，从而检测出各部分压电薄膜传感器转换电压信号的时序差。

进一步为：在所述双稳态触发器与所述微处理器之间设有RC滤波器，提高检测精度。

进一步为：在所述铜膜上设有防水层。

本发明的有益效果：将压电薄膜传感器按照脚底前部、中前部、中后部和后部的四个区域内均呈左右并列设置，并通过信号处理模块和微处理器检测各个压电模块的时序差，从而给后续判断脚部着力点之间的先后顺序，从而判断走路姿势的正确性，采集过程简单，且这种区域划分方式检测，准确性高；采用压电薄膜传感器和柔性电路板相结合，因此，本发明具有超薄、柔性、轻质、高灵敏、低成本、可大批量化等优点；本发明在鞋垫和鞋底上均能设置，可应用范围广；信号处理模块为插卡式设置，且更换方便，使本发明可持续性工作。

附图说明

图1为模拟行人走路过程及脚底接触地面位置模拟图；

图2为本实用信息检测模块的结构示意图；

图3为图2中A区域的放大图；

图4为本发明中鞋垫的拆分结构示意图；

图5为本发明中鞋底的结构示意图；

图6为本发明中放大电路的结构示意图；

图7为本发明中双稳态触发器、RC滤波电路及微处理器的电路图。

图中，1、上鞋垫；2、检测模块；201、独立柔性电路板插槽；202、压电薄膜传感器；203、柔性电路板；21、第一压电薄膜传感器；22、第二压电薄膜传感器；23、第三压电薄膜传感器；24、第四压电薄膜传感器；25、第五压电薄膜传感器；26、第六压电薄膜传感器；27、第七压电薄膜传感器；28、第八压电薄膜传感器；3、下鞋垫；31、检测模块容置槽；4、鞋底；41、密封塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。需要说明的是，本发明实例中的左、中、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

实施例一：本实施例提出了一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，包括检测模块2、通信模块、信号处理模块、微处理器和供电模块，所述检测模块2包括压电薄膜传感器，所述压电薄膜传感器按照脚底前部、中前部、中后部和后部的四个区域内均呈左右并列设置；所述压电陶瓷薄膜均沿其厚度方向极化，所述信号处理模块包括整流电路和双稳态触发器，所述压电陶瓷薄膜信号依次经整流电路和双稳态触发器后传输给所述微处理器，所述通信模块与所述微处理器的通讯端电连接，用于将检测的信息发送至终端机，所述供电模块分别与所述微处理器及信号处理模块电连接。

具体地，检测模块2包括分成若干区的压电薄膜传感器，如图2、图3和图4所示，该压电薄膜传感器202覆在柔性电路板203上并设置在鞋垫的夹层中，即鞋垫包括上鞋垫1和下鞋垫3，在下鞋垫3里设有检测模块容置槽31，将附着有压电薄膜传感器202的柔性电路板203放置在检测模块容置槽31内后将三者粘接在一起，用以接收脚部的着力点及施加的压力信号，并将其转换为电压信号。同时，检测模块2中的压电薄膜传感器202根据图1中人们的行走步骤，按照需要分成若干区域，如图2所示包括第一压电薄膜传感器21、第二压电薄膜传感器22、第三压电薄膜传感器23、第四压电薄膜传感器24、第五压电薄膜传感器25、第六压电薄膜传感器26、第七压电薄膜传感器27及第八压电薄膜传感器28，并且各个分区中的压电薄膜传感器均沿着厚度方向极化。本实施例中，将压电薄膜传感器202按照图1中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个主要着力点分成四部分，并且每部分按照脚在长方向上的中线分成左、右两部分，即每个压电薄膜传感器分成图4所示的八个区域。同时，在压电薄膜传感器202的表面涂有铜膜，主要是因为压电陶瓷这种容性原件比较敏感，一些工频噪声经电荷放大器放大后会变得非常严重，铜膜可以有效消除工频干扰。另外，还需在最外面涂覆防水材料，以消除用户因出汗造成的传感器损坏。

信号处理模块将各部分压电薄膜传感器转换的电压信号进行预处理，具体如图6和图7所示，具体是通过双稳态触发器、滤波电路等检测出各部分压电薄膜传感器转换的电压信号的电压值大小、先后时序以及相位超前或滞后的时间差Δt，并将其传送至微处理器模块。图6中的信号处理模块中的电路充分考虑了个体使用者的体重差异，并使得转换得到的电压信号V2可直接连接到后续的相位差检测电路等，进而扩宽了该智能鞋的使用范围。同时，图6仅给出一路压电薄膜传感器的电压转换电路，由于图2中的压电薄膜传感器分成了八个区域，因此，本实施例的信号处理模块包括八个图6所示的电路模块。

由于压电薄膜传感器很薄，质轻，且非常柔软，因此，在压电薄膜传感器纵向上施加一个很小的压力时，横向上就会产生很大的应力。因此，压电薄膜传感器对动态应力非常敏感，本实施例采用的28μm厚的压电薄膜传感器，其灵敏度的典型值为10~15mV/微应变（长度的百万分率变化）。附有柔性电路板的压电薄膜传感器会使得这个结构的动态应力更加敏感，并且可以降低施加在压电薄膜传感器的压力，提高压电薄膜传感器的使用寿命。如图6所示，压电薄膜传感器将感应的电荷信号经过放大器放大得到电压信号V1，再经过次级放大器和比较器的作用将电压信号V1转换到可以直接连接到微处理器芯片的电压信号V2。其中，第一压电薄膜传感器21、第三压电薄膜传感器23、第五压电薄膜传感器25和第七压电薄膜传感器27对应的电压信号V2分别为V2-1、V2-2、V2-3和V2-4，对应地，第二压电薄膜传感器22、第四压电薄膜传感器24、第六压电薄膜传感器26和第八压电薄膜传感器28对应的电压信号V2分别为V2-5、V2-6、V2-7和V2-8，并且均采用如图6所示的转换电路。

另外，所述信号处理模块、微处理器和供电模块均位于对应脚底中部内侧的位置，所述检测模块2、柔性电路板203、信号处理模块、微处理器和供电模块均固设在鞋垫设置的夹层中，所述检测模块2包括所述压电薄膜传感器、柔性电路板、信号处理模块、微处理器和供电模块。所述信号处理模块、微处理器和供电模块集成在独立柔性电路板上，在所述柔性电路板上对应脚底中部内侧面的位置开设有独立柔性电路板插槽，在所述独立柔性电路板插槽槽底设有快插接头A端，在所述独立柔性电路板上设有快插接头B端，当所述独立柔性电路板安插在所述独立柔性电路板插槽内时，所述快插接头A端与快插接头B端相匹配用于传输所述检测模块和信号处理模块的电信号。

微处理器根据接收到的实验数据，通过中断方式精确分析出行走时脚部施加在压电薄膜传感器的作用力大小、着力点以及不同电压信号的相位超前或滞后的时间差Δt，进而判断出行走者的姿态。

由于压电薄膜在压电效应下可以将外加的压力转换为电信号，因此，转换的电信号在经过信号处理模块整流、滤波后输出的直流电压，可用于给其它模块供电。

实施例二：其它技术特征在于实施例一相同的情况下，如图5所示，还包括所述检测模块、柔性电路板、信号处理模块、微处理器和供电模块均固设在鞋底4设置的夹层中；所述信号处理模块、微处理器和供电模块集成在独立柔性电路板上，在所述柔性电路板上对应脚底中部内侧面的位置开设有独立柔性电路板插槽，在所述独立柔性电路板插槽槽底设有快插接头A端，在所述独立柔性电路板上设有快插接头B端，当所述独立柔性电路板安插在所述独立柔性电路板插槽内时，所述快插接头A端与快插接头B端相匹配用于传输所述压电薄膜传感器和信号处理模块的电信号。在所述鞋底侧面对应所述独立柔性电路板插槽的位置开设有卡槽，在所述卡槽内塞有并粘接密封塞41。与实施例1类似，本实施例设置的卡槽是用于以防柔性电路板发生损坏时，可通过设置的卡槽置换新的集成电路模块。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，其特征在于，包括检测模块、通信模块、信号处理模块、微处理器和供电模块，所述检测模块包括压电薄膜传感器，所述压电薄膜传感器按照脚底前部、中前部、中后部和后部的四个区域内均呈左右并列设置，在所述压电薄膜传感器的表面涂有铜膜；所述压电陶瓷薄膜均沿其厚度方向极化，所述信号处理模块包括整流电路和双稳态触发器，所述压电陶瓷薄膜信号依次经整流电路和双稳态触发器后传输给所述微处理器，所述通信模块与所述微处理器的通讯端电连接，所述供电模块分别与所述微处理器及信号处理模块电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，其特征在于，所述压电薄膜传感器覆在柔性电路板上，在所述柔性电路板上布置所述信号处理模块、微处理器和供电模块；所述信号处理模块、微处理器和供电模块均位于对应脚底中部内侧的位置。

3.根据权利要求2所述的一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，其特征在于，所述检测模块、柔性电路板、信号处理模块、微处理器和供电模块均固设在鞋垫设置的夹层中。

4.根据权利要求3所述的一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，其特征在于，所述信号处理模块、微处理器和供电模块集成在独立柔性电路板上，在所述柔性电路板上对应脚底中部内侧面的位置开设有独立柔性电路板插槽，在所述独立柔性电路板插槽槽底设有快插接头A端，在所述独立柔性电路板上设有快插接头B端，当所述独立柔性电路板安插在所述独立柔性电路板插槽内时，所述快插接头A端与快插接头B端相匹配用于传输所述压电薄膜传感器和信号处理模块的电信号。

5.根据权利要求2所述的一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，其特征在于，所述检测模块、柔性电路板、信号处理模块、微处理器和供电模块均固设在鞋底设置的夹层中。

6.根据权利要求5所述的一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，其特征在于，所述信号处理模块、微处理器和供电模块集成在独立柔性电路板上，在所述柔性电路板上对应脚底中部内侧面的位置开设有独立柔性电路板插槽，在所述独立柔性电路板插槽槽底设有快插接头A端，在所述独立柔性电路板上设有快插接头B端，当所述独立柔性电路板安插在所述独立柔性电路板插槽内时，所述快插接头A端与快插接头B端相匹配用于传输所述压电薄膜传感器和信号处理模块的电信号。

7.根据权利要求6所述的一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，其特征在于，在所述鞋底侧面对应所述独立柔性电路板插槽的位置开设有卡槽，在所述卡槽内塞有并粘接密封塞。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，其特征在于，所述整流电路包括放大电路和比较器，每个所述压电薄膜传感器产生的信号经所述放大电路放大再经比较器转换成数字信号，对应脚底前后相邻的两个所述压电薄膜传感器均通过一个所述双稳态触发器后与所述微处理器电连接，从而检测出各部分压电薄膜传感器转换电压信号的时序差。

9.根据权利要求8所述的一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，其特征在于，在所述双稳态触发器与所述微处理器之间设有RC滤波器。

10.根据权利要求8所述的一种基于压电传感元件的脚底压力时序采集装置，其特征在于，在所述铜膜上设有防水层。